地層測試技術(shù)及其應用的進展與挑戰(zhàn)

馮永仁,左有祥,王健,周明高,秦小飛,歐陽帥玉,李東,沈陽,孔筍

(1.中海油田服務股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部,燕郊河北065201;2.中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津300459;3.中海油田服務股份有限公司天津分公司,天津300459)

0 引 言

自從1955年斯倫貝謝公司第一代電纜地層測試器(FT,Formation Tester)商業(yè)化應用以來,地層測試技術(shù)取得了巨大的進展。2012年,楊興琴等[1]綜述了國內(nèi)外地層測試技術(shù)的發(fā)展歷程、關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢,重點在儀器的硬件和功能上,未涉及地層測試數(shù)據(jù)的解釋和應用。從2012年以來,先后涌現(xiàn)了一些新的地層測試技術(shù),主要應用在6個方面:①地層壓力測試(Pressure Test);②區(qū)間壓力瞬變測試(Interval Pressure Transient Test,IPTT),垂直干擾測試(Vertical Interference Test,VIT),或壓力瞬變分析(Pressure Transient Analysis,PTA)以及產(chǎn)能預測;③井下流體分析與取樣;④微型壓裂;⑤壓力和流體測試的應用;⑥儲層流體地球力學(Reservoir Fluid Geodynamics,RFG)的研究。

本文從地層壓力測試、區(qū)間壓力瞬變測試與產(chǎn)能預測、井下流體分析與取樣、微型壓裂測試等4個方面,將著重在地層測試數(shù)據(jù)的解釋方法和工程應用上,綜述國內(nèi)外的地層測試技術(shù)的進展與挑戰(zhàn),指出該技術(shù)的發(fā)展趨勢和近期的攻關(guān)方向。

1 地層測試技術(shù)發(fā)展歷程

1.1 電纜地層測試

電纜地層測試器由7大功能模塊(或短節(jié))組成:①電源/遙測模塊;②探針模塊包括各種大小探針、聚焦探針、探針組合、三維徑向探針、封隔器、雙封隔器等;③井下泵抽模塊;④基于光學、聲學或核磁共振的井下流體識別和分析模塊;⑤取樣模塊包括常規(guī)取樣筒、大體積取樣筒、氮氣壓力補償?shù)膯蜗嗳油驳?⑥液壓動力模塊;⑦流量控制模塊。這些模塊都可根據(jù)不同的測試目的和作業(yè)需求靈活配置,可應用于裸眼井和套管井。

斯倫貝謝公司的主要電纜地層測試工具包括:模塊式電纜地層動態(tài)測試器MDT(Modular Formation Dynamic Tester,1989年)、具有超強抗沖擊震動能力的增強型電纜地層測試器MDT Forte(2012年)、溫度和壓力分別為204 ℃和207 MPa耐高溫增強型電纜地層測試器 MDT Forte HT(High Temperature,2012年)、電纜快速測壓器XPT(PressureXpress,2005年)、耐高溫電纜快速測壓器XPT-HT(PressureXpress-HT,2012年)。它們可根據(jù)作業(yè)要求在MDT或XPT平臺上與其他模塊進行靈活組合。哈里伯頓公司的RDT(Reservoir Description Tool,1998年)和貝克休斯公司的RCI(Reservoir Characterization Instrument,1995年)與斯倫貝謝公司的MDT具有相同的功能。2002年,哈里伯頓公司推出了與RDT配套的基于核磁共振技術(shù)的井下流體分析模塊:核磁共振實驗室模塊MRILab。2016年,哈里伯頓公司推出了與RDT測試器平臺配套的基于光學傳感器的集成計算元件(Integrated Computing Elements,ICE Core)技術(shù)的井下流體分析儀[2]。貝克休斯公司商業(yè)化了與RCI配套的基于光學傳感器的流體分析模塊IFX(Insitu Fluid eXplorer,2008年),開發(fā)了儲層特征化探索者(RCX,Reservoir Characterization eXplorer)服務平臺,該平臺可用于高壓/高溫(HP/HT)的惡劣環(huán)境,其溫度和壓力指標分別為191 ℃和172 MPa。

2003年中海油田服務股份有限公司(簡稱中海油服,下同)研制出了地層測試評價儀FET(Formation Evaluation Tool)。2006年中海油服推出了鉆井中途油氣層測試儀FCT(Formation Characterization Tool),包括電子線路模塊、液壓動力模塊、反向注入模塊、數(shù)字泵抽模塊等,具有壓力測試和取樣功能[3]。經(jīng)過多年的探索,鉆井中途油氣層測試儀改名為EFDT(Enhanced Formation Dynamic Tester),它是中海油服獨立研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的模塊化電纜式地層測試器。之后,中海油服又研制了2種模塊式電纜地層測試儀:增強型電纜鉆井中途油氣層測試儀(EFDT-eXceed)以及集成式快速地層壓力測試儀(Integrated Rapid Formation Tester,簡稱 IRFT),拓展了地層測試作業(yè)范圍。在推靠坐封技術(shù)方面,開發(fā)了不同大小直徑的圓型探針、橢圓探針、超大吸口探針、大極板探針、聚焦探針、雙封隔器。在流體識別技術(shù)方面,開發(fā)了光譜流體識別、電阻率、密度和黏度技術(shù)。研制了單相地層流體取樣筒,采用預充氮氣壓力補償技術(shù),消除因溫度降低引起的樣品壓力減小,使樣品壓力保持在泡點、露點壓力之上,避免發(fā)生相變,從而獲得高質(zhì)量的單相地層流體樣品。研制了多PVT取樣筒模塊,一次下井最多可獲取48個流體樣品。為解決儀器吸附卡難題和避免耗時長、高成本的打撈解卡問題,研制了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的異向推靠解卡裝置。

中國石油集團測井有限公司(簡稱中油測井,下同)自“十一五”開始,開展了模塊式動態(tài)地層測試系統(tǒng)FDT(Formation Dynamics Tester)的研制。FDT包括電源、液壓動力、單探測器、常規(guī)取樣、泵抽排、多取樣、雙封隔器和光譜分析模塊。FDT采用模塊化設計,可進行井下地層壓力精確測量以及流體實時分析和取樣,配套的特殊探針和雙封隔器模塊的配置使FDT可適應更為復雜儲層的地層測試[4]。至2018年底,中油測井自主研發(fā)的模塊式地層動態(tài)測試系統(tǒng)分別在吐哈、青海、華北、大慶油田等實現(xiàn)了現(xiàn)場試驗與應用。

表1對比了5家公司電纜地層測試器的主要測試參數(shù)。

1.2 隨鉆地層測試

探路者能源服務公司開發(fā)了首支隨鉆地層測試器DFT(Drilling Formation Tester,2001年)。隨后,哈里伯頓公司推出了隨鉆地層測試器GeoTap(2002年)。貝克休斯公司推出了隨鉆地層測試器TesTrak(2003年)。斯倫貝謝公司也推出了隨鉆地層測試器StethoScope(2003年)。上述隨鉆地層測試器只測量動態(tài)地層壓力數(shù)據(jù),不具備隨鉆流體取樣和分析功能。哈里伯頓公司推出了首支隨鉆地層流體識別和取樣工具GeoTapIDS(Fluid Identification and Sampling Sensor,2009年)。貝克休斯公司開發(fā)了隨鉆流體分析與取樣工具FAS(Formation Fluid and Analysis Tool,2010年)。2017年斯倫貝謝公司將SpectraSphere隨鉆流體測繪服務(Fluid Mapping While Drilling Service)投入商業(yè)化應用[5],首次在石油工業(yè)界將基于光學的井下流體分析儀放置到隨鉆地層測試器上。中海油服公司研發(fā)了隨鉆地層壓力測試儀(Instant Formation Pressure Tester,簡稱 IFPT)。

表1 5家公司電纜地層測試器的主要測試參數(shù)對比

1.3 新一代推靠坐封技術(shù)

為了縮短取樣時間,斯倫貝謝公司首先推出了聚焦探針(QuickSilver Focused Probe,2005年)(見圖1右下)。它將從儲層流出的流體分為2路:中間圓圈的取樣流區(qū)(Sample Flow Area)和外圍環(huán)狀的防護流區(qū)(Guard Flow Area)。由于外圍防護流區(qū)產(chǎn)生的較高流速將污染流體導向環(huán)狀的防護流區(qū),因此,流入外圍防護管線的流體污染程度較高,而流入中心取樣管線的流體污染程度低,從而達到聚焦取樣和提高取樣時效的目的。類似的工具,2012年哈里伯頓公司設計了橢圓形聚焦墊,2018年貝克休斯公司也推出了RCX Sentinel聚焦探針。中海油服公司也研發(fā)了聚焦探針。

圖1 電纜地層測試器及探針

2014年斯倫貝謝公司研制了新三維徑向探針(速星)并投入商業(yè)化應用(見圖1右圖)。速星的技術(shù)特點:①行業(yè)商業(yè)應用儀器中最大的總過流面積(79.44 in2)(1)非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同;②流體管線和靜態(tài)壓力之間的壓差指標高達55 MPa;③快速設置和收回功能;④無集液坑和低管儲,可消除流體與靜止鉆井液的混合;⑤定量的實時鉆井液濾液污染監(jiān)測算法,可確保取到代表性的流體樣品;⑥有4個橢圓形端口,配置可現(xiàn)場替換的定制過濾器,以防止流體管線堵塞;⑦自密封排管裝置,可在任何質(zhì)量的井眼取樣過程中保持良好的密封性;⑧改進的鉆井液旁路系統(tǒng),在不穩(wěn)定井眼中可提供卓越的壓力維持。相對于傳統(tǒng)電纜地層測試探針,速星在井眼周圍的地層中建立并保持真實的三維徑向流動,能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的壓力測量、井下流體分析、取樣和滲透率估算,尤其適用于粗糙或不穩(wěn)定的井眼、超低孔隙度滲透率或疏松地層、稠油或近臨界流體。

2 地層測試技術(shù)的方法、應用和進展

2.1 地層壓力測試

2.1.1地層壓力測試和滲透率

從20世紀70年代開始,人們用電纜地層測試器進行儲層滲透率的測試,通過使用單探針進行的壓力測試計算出壓降法流度,并且獲得儲層的壓力。

通常壓降法的流度可以通過2種方法確定:穩(wěn)態(tài)流法和積分法。當工具時間常數(shù)足夠低時,可以使用穩(wěn)態(tài)流方法,因為壓降過程中存在穩(wěn)態(tài)流壓力。但很多時候,特別是在低流度情況下,測壓過程無法建立穩(wěn)態(tài)流壓力,不能使用穩(wěn)態(tài)流法,而要使用積分法計算流度。

地層測試器流動數(shù)據(jù)的準確性取決于流量測定(穩(wěn)態(tài)流法)和體積測定(積分法)的準確性。由于在低流度地層中獲得的大多數(shù)壓力測試必須使用積分法進行分析,因此,體積測定的準確性至關(guān)重要。往復泵是由電機馬達驅(qū)動液壓油使活塞移動來抽吸流體的,其優(yōu)點是可以產(chǎn)生非常大的壓降量,但當測壓體積變小時,測壓體積的誤差會增加。高效的壓力測試工具則由機電馬達連接到滾子螺旋機構(gòu)和高減速齒輪箱上,該系統(tǒng)可高度穩(wěn)定和精確地控制壓力測試的流量和體積,并使測壓體積的精度達到0.1 cm3,流量的精度達到0.05 cm3/s。因此,改進的體積準確性可直接轉(zhuǎn)化為改進的流度計算。

由流度計算滲透率需要知道流體黏度。盡管知道流動流體是鉆井液濾液,但并不知道準確的黏度值。另外,表皮的存在也會影響壓降法的流度。影響表皮系數(shù)的因素:①泥餅堵塞探針或壓降過程無法完整地清除泥餅;②因探針設置的機械原因造成的地層損害;③放置探針時,因超高應力引起的地層微裂縫;④探針附近的非達西流(湍流);⑤鉆井液顆粒進入地層;⑥地層細粒遷移到探測區(qū)域;⑦近探針區(qū)域多相條件下產(chǎn)生的相對滲透率效應(例如氣體釋放)。

人們常將得到的球形滲透率(Ks)值與其他滲透率測量值進行比較。但在大多數(shù)情況下,Ks是一種球形滲透率,不能與通常從生產(chǎn)試油或巖心分析測量中獲得的徑向滲透率進行比較。Ks通常是侵入帶對鉆井液濾液的有效滲透率,而不是從巖心分析獲得的絕對滲透率。

2.1.2超壓問題

對于低孔隙度低滲透率地層,超壓是需要面對的關(guān)鍵問題之一。Pop等[6]根據(jù)鉆井實踐對數(shù)據(jù)進行了分組分析。他們建議:①超壓的影響會隨鉆井后的時間而減少的假設并非總是正確的;②停泵測試會使超壓量(流度低于2 mD/cP(2)非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同;1 cP=0.001 Pa·s,下同)減半;③為了研究超壓的敏感性,可以以相同的環(huán)空速率進行測試,如果不能停泵測試,則可進一步以較高的環(huán)空速率進行測試。

Banerjee等[7]開發(fā)了數(shù)學模型和軟件工具來模擬在流體侵入的情況下儲層中電纜地層測試的壓力響應。并用數(shù)值模擬驗證了模型。該模型在鉆井過程中校正壓力時,基于可靠的反演結(jié)果可以得出油井的產(chǎn)能指數(shù),但沒有考慮鉆井實踐和現(xiàn)場環(huán)空速率對泥餅特性的影響。

Zaher和Sirju[8]開發(fā)了IMPES模型,將兩相不混溶徑向流與泥餅生長結(jié)合起來,僅考慮靜態(tài)過濾行為。得出了超壓過程中最具影響的參數(shù),依次排序:滲透率、鉆井液黏度、超平衡壓力、孔隙度、流體黏度和侵入時間。研究結(jié)果表明,毛細管壓力和巖石潤濕性對電纜地層測試有影響。

為了整合所有可能的不確定性,可以通過在現(xiàn)場條件下測量多個參數(shù),使假設的不確定性最小化。Chang等[9]進行了該方面研究。研究結(jié)果指出在電纜測試作業(yè)時,超壓隨著時間的推移通常不會消退。因為鉆井過程中鉆井液循環(huán)停止時,靜態(tài)泥餅正在增長,濾液漏失率正在下降。但是這種情況在隨鉆測試作業(yè)時并非正確。對濾液漏失和地層壓力的耦合模擬表明,隨鉆超壓的水平會發(fā)生顯著變化。隨鉆超壓及其隨時間變化的預測需要一個模擬框架,在該框架內(nèi)可以捕獲流體循環(huán)和鉆井操作的完整歷史。

目前超低孔隙度滲透率地層的超壓問題還沒有得到很好的解決,還有大量的工作要做。

2.2 區(qū)間壓力瞬變測試與產(chǎn)能預測

盡管壓降法的流度提供了有關(guān)儲層行為的寶貴信息,但它無法與傳統(tǒng)的鉆柱測試(Drilling Stem Test,DST)技術(shù)的儲層滲透率相提并論。這是因為它的研究深度有限,很難擴展到大規(guī)模儲層。事實上,探針測壓可能無法達到完整的徑向流。20世紀90年代,斯倫貝謝公司使用MDT電纜地層測試器,配置雙封隔器、探針和泵抽模塊,能夠形成半徑為數(shù)十米的徑向流,從而能夠測量小儲層規(guī)模的滲透率。這些測試,稱為微型DST(MiniDST)或區(qū)間壓力瞬變測試,在某些情況下是傳統(tǒng)DST測試的有效替代方法,特別是在環(huán)境、安全和經(jīng)濟方面具有較大優(yōu)勢。它可用于產(chǎn)能預測,并得到與傳統(tǒng)DST測試相似的結(jié)果。

儲層滲透率通常有5種方法測試:①巖心分析;②常規(guī)測井;③壓力測試;④區(qū)間壓力瞬變測試;⑤傳統(tǒng)DST測試。由于很難重現(xiàn)儲層條件,巖心分析具有不確定性,而且規(guī)模很小(離井眼大約幾厘米)。常規(guī)測井測量半徑也非常有限(3～300 cm),并受侵入帶濾液的影響,它的優(yōu)點是隨深度連續(xù)的測量。同樣,壓力測試的規(guī)模也很小(離井眼3～300 cm),如圖2(a)所示。區(qū)間壓力瞬變測試的儲層規(guī)模居中,在3～12 m,如圖2(b)所示。大儲層規(guī)模(15～300 m)的DST測試耗時長,需要地面生產(chǎn)設備,得出的是具有代表性的儲層平均滲透率,但僅在保持單相流時有效。在實際操作中,選擇測試方法時要考慮的相關(guān)因素有環(huán)境、安全、時間(指結(jié)果的獲取和交付時間)和成本。相比之下,區(qū)間壓力瞬變測試的儲層規(guī)模居中,沒有環(huán)境、安全問題,耗時和成本比DST測試要少很多。

圖2 比較壓力測試與區(qū)間壓力瞬變測試的示意圖

圖3 IPTT(VIT)測試的探針和封隔器的配置示意圖

在典型的單個雙封隔器IPTT測試中,理論上管儲后會出現(xiàn)第一個徑向流,對應于雙封隔器的水平滲透率乘以厚度。實際上,這很少被觀察到,因為被管儲效應掩蓋了。如果儲層邊界比雙封隔器厚,則在壓力導數(shù)與時間對數(shù)坐標圖中形成一個斜率為0.5的球形流,隨后形成一個斜率為0的徑向流,對應于整個儲層在不滲透邊界之間的滲透率乘以厚度。在層狀儲層或高滲透率各向異性儲層,流動可能會限制在雙封隔器跨距之間,而不會傳播到主要不滲透邊界。在這種情況下,形成對應于雙封隔器滲透率乘以厚度的徑向流?？梢栽陔p封隔器(或三維徑向探針)上方或下方添加一個或多個監(jiān)測探針。通過觀測探針的壓力和時間延遲響應,可提供測試間隔內(nèi)垂直連通性、垂直滲透率Kv和垂直滲透率/水平滲透率(Kv/Kh)。這種方法被稱為垂直干擾測試。它提供了一個獨立的Kv測定,可以與雙封隔器(或三維徑向探針)IPTT測試結(jié)果進行比較。理論上,如果單探針和雙封隔器位于同一區(qū)域,2個壓力瞬態(tài)數(shù)據(jù)應表現(xiàn)出相同的徑向穩(wěn)態(tài)流[16]。

去卷積方法的最新發(fā)展也有助于加強IPTT的解釋[17],它消除了管儲效應,將嘈雜的生產(chǎn)段數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為理想的壓降數(shù)據(jù),最終用于解釋,并增強了調(diào)查半徑,以便識別最終邊界。

對儲層產(chǎn)能進行早期評估具有重要意義,尤其是在對油井進行套管作業(yè)之前。使用節(jié)點分析(Nodal Analysis)軟件生成流入性能關(guān)系圖(Inflow Performance Relationship,IPR),可以預測每個油氣層的產(chǎn)能。輸入數(shù)據(jù)是來自IPTT的滲透率乘以厚度值、儲層壓力和通過地層流體分析得出的油氣性質(zhì),所有這些都是通過地層測試測量得到的。IPR圖定義了測試區(qū)是否是進一步開發(fā)的候選區(qū),以及是否需要最終增產(chǎn)處理提高產(chǎn)能。在許多情況下該方法的結(jié)果接近于觀察到的生產(chǎn)結(jié)果[18]。

2.3 井下流體分析

2.3.1早期的井下流體分析

20世紀90年代初,井下泵抽模塊的引入,使得在取樣前根據(jù)所需地層流體的要求,可以主動地清除入侵的鉆井液濾液,大大提高了控制流體流動和取樣壓力的能力。隨著這一技術(shù)的發(fā)展,理論上可以無限時間地泵抽地層流體以獲得原狀流體樣品,但這顯然是不現(xiàn)實的。因此,定量測定泵抽流體中鉆井液濾液污染度的能力變得至關(guān)重要,以便以最有效的方式獲得具有適當污染度的樣品。如果取樣太快,樣品可能會受到污染。另一方面,如果取樣時間比需求時間長,就浪費了寶貴的鉆井時間,引入了不必要的風險。在非混相流的情況下,即在水基鉆井液環(huán)境中對油或氣進行取樣,或在油基鉆井液環(huán)境中對水進行取樣,只要可以在實驗室中對污染物進行分離,且不會對目標流體產(chǎn)生不利影響,那么何時取樣就不那么重要了。但應注意的是,情況并非總是如此,例如,油基鉆井液濾液污染可能會對水樣中有機化合物(如揮發(fā)性脂肪酸)測量產(chǎn)生影響,以及水基鉆井液濾液污染可能會對油(氣)樣中硫化氫和二氧化碳等測量產(chǎn)生影響。與混相流相比,非混相流通常更容易區(qū)分原狀和侵入流體。

安裝方案一：在新釜設計時，考慮好安裝的位置，一般建議在釜側(cè)壁或底部安裝，可以考慮采用預留法蘭，一般建議DN40或50，SRV法蘭型在線黏度計外形見圖6。

流體性質(zhì)的第一個指示性參數(shù)是密度,其可由流體壓力梯度推算而得到。但是,由壓力梯度推算的密度是一種衍生性質(zhì),而不是測量性質(zhì)。它受到壓力、深度和曲線擬合中的誤差影響,尤其對于近臨界流體,壓力梯度并非直線而是曲線,流體密度隨深度而變化。

一旦井下地層測試器與地層建立了壓力聯(lián)系,就可將地層流體泵抽到地層測試器的管線中,并使用井下流體分析(DFA,Downhole Fluid Analysis)的傳感器測量泵入流體的各種性質(zhì)。最基本的測量是流體的壓力和溫度。最早測得的真實流體性質(zhì)是流體電阻率,主要用于區(qū)分水和碳氫化合物。

2.3.2光譜井下流體分析

20世紀90年代,作為井下傳感器的光學流體分析儀被正式引入該行業(yè)(斯倫貝謝公司的OFA)。吸收光譜儀測量光透過流線時的吸光度。首先光穿過流線上的1個藍寶石窗口,再穿過幾毫米的受測流體,從第2個藍寶石窗口射出,再經(jīng)過多個探測器。每個探測器測量光的強度,但每個探測器對不同的波長都有選擇性。結(jié)合這些檢測器可產(chǎn)生離散或半連續(xù)光譜(見圖4)。圖4中顯示了油、油基鉆井液濾液和水的吸收光譜[19]。

圖4 不同流體的光譜圖[19]

如圖4所示,由于水峰與碳氫化合物峰群的差異大,從而很容易地區(qū)分水和碳氫化合物(通常被稱為油水分率)。它也可用于區(qū)分水和碳氫化合物之間的流動相。例如,合理放置光譜模塊,則可以清楚地識別水和碳氫化合物的段塞流。

小于1 200 nm的吸光度通常稱為顏色吸收光譜(Coloration)。它反映了地層原油瀝青質(zhì)或樹脂的含量。如果混合2種流體或油基鉆井液濾液和原狀流體,那么所導致的顏色吸收光譜是線性疊加的。這可以直接用來定性和/或定量地計算油基鉆井液濾液污染度。斯倫貝謝公司最早的井下油基鉆井液濾液污染度算法就基于這種關(guān)系。

井下光譜儀是DFA技術(shù)的一個重大突破,它不僅提供了樣品污染的實時監(jiān)測,而且還實現(xiàn)了一系列井下流體性質(zhì)的測量。原油中的組分具有不同的光譜,由此可從井下測量的光譜中導出簡化的流體組成。1993年斯倫貝謝公司推出的OFA可測量顏色光譜、區(qū)分油水分率、檢測氣體和基于顏色光譜監(jiān)測鉆井液濾液污染度。2001年推出的LFA增加了甲烷峰通道。除了OFA的功能之外,LFA還可以基于甲烷峰監(jiān)測鉆井液濾液污染度,并根據(jù)甲烷峰和油峰的吸光度比初略估算氣油比。2003年推出的CFA增加了一些通道,可額外測量組分C1、C2-C5、C6+和CO2的組成以及凝析油的識別,并改進了氣油比的算法。2007推出的IFA進一步增強了井下光譜儀的功能。除了CFA的功能之外,IFA可更準確地測量流體組分C1、C2、C3-C5、C6+和CO2的組成、氣油比、密度、黏度、pH值。

迄今為止,光譜學工具主要集中在可見光譜和近紅外光譜上。Jones等[20]描述了光譜的集成計算元件(Integrated Computing Elements,ICE)方法,并將光譜儀擴展到中紅外范圍(高達5 500 nm)。中海油服公司正在測試新一代的井下連續(xù)性光譜儀,并結(jié)合現(xiàn)代人工智能方法得到所需產(chǎn)品。

光譜儀的另一個應用是測量井下活水的酸堿度。其方法是將特定pH值試劑攜帶到井下,并與水進行混合[21]。特定pH值試劑在光譜儀特定波長處具有吸收峰。由于混合溶液的pH值不同,特定波長處測量的吸收峰也不同[21],由此可確定活水的pH值。除了活水的pH值之外,它還可以用于檢測水基鉆井液環(huán)境下獲取地層水樣的凈化過程。

井下熒光傳感器提供了一種定性方法來區(qū)分油基鉆井液濾液與天然油和凝析氣,尤其對揮發(fā)性淺色凝析油效果最好。熒光傳感器的其他功能包括流動相(氣、油、水)的識別和使用是否出現(xiàn)氣泡或液滴的方法進行相分離識別。

Zuo等[22]提出了基于IFA的儲層流體體積系數(shù)(FVF,Formation Volume Factor)和壓縮系數(shù)[23]分析方法,實時獲得儲層流體的重要性質(zhì)。

2.3.3鉆井液濾液污染度分析

穆林斯(Mullins)等[24]提出了一種基于DFA工具測量的吸光度估計油基鉆井液濾液污染度的方法。顏色和/或甲烷通道的吸光度隨時間的變化可擬合實際DFA測量數(shù)據(jù)獲得。一旦獲得吸光度模型,將時間外推至無窮大,則可獲得原狀流體的吸光度。此外,可假設顏色和/或甲烷通道基線校正過的鉆井液濾液的吸光度等于零。因此,已知2個端點的吸光度,可以使用吸光度混合規(guī)則計算油基鉆井液濾液污染度。Hsu等[25]開發(fā)了一種基于多波長同步吸光度的多通道油基鉆井液濾液污染度算法。然而,現(xiàn)有技術(shù)只適用于具有足夠瀝青質(zhì)含量(足夠的吸光度)的油,因為其與顏色通道的吸光度呈線性關(guān)系[26],并且可假定顏色通道的鉆井液濾液無色(吸光度為零)。此外,如果地層流體和濾液之間沒有或只有很小的吸光度差異,則獲得純鉆井液濾液和原狀地層流體特征的準確性也受到限制。另外,當鉆井液用于多井再循環(huán)時,會吸收顏色(吸光度不再為零),或原狀地層流體本身缺乏顏色(低瀝青質(zhì)含量)時,經(jīng)常會觀察到吸光度差異很小的情況。因此,Zuo等[27-28]提出了基于多傳感器流體樣品污染度的實時新預測方法。

Zuo等[27-28]研究了不同流體性質(zhì)的混合規(guī)則,新定義了兩個輔助函數(shù)(修正的氣油比和修正的質(zhì)量分數(shù)),從而使所有流體性質(zhì)的混合規(guī)則保持相似性和一致性。確定了流體性質(zhì)之間的相互線性關(guān)系。通過實驗數(shù)據(jù)驗證了這些混合規(guī)則和線性關(guān)系,利用最新一代的DFA工具測量了流體性質(zhì)隨泵抽流體體積的變化情況,并將新的多傳感器流體樣品污染度的預測方法應用于DFA測量數(shù)據(jù)中,對油基鉆井液濾液污染度進行實時定量分析。他們將該方法推廣應用到世界各地大量的實測DFA實例中,所得結(jié)果與實驗室分析數(shù)據(jù)吻合很好。Zuo等[27-28]的方法被擴展到水樣中的水基鉆井液濾液污染度的實時監(jiān)測[29],并取得了良好效果。

2.3.4流體其他性質(zhì)分析

2006年井下密度傳感器被引入到DFA中[30],用來實時測量流體密度。Dong等[31]將不同流體用振動棒測得的密度與實驗室測得的密度進行了比較,結(jié)果令人滿意。密度測量的優(yōu)點是密度傳感器的物理原理的簡單性和測量的魯棒性,使其能夠在工具串的不同點上實現(xiàn)小型化。其優(yōu)點還包括密度符合單相混合物的線性混合規(guī)則,從而簡化了密度的解釋及其用于流體識別和鉆井液濾液污染監(jiān)測。密度測量的一個特別強大的應用是驗證和確認由壓力梯度得出的密度和用于狀態(tài)方程模型的密度擬合。

根據(jù)物體(叉、桿、線、管等)的振動頻率和阻尼系數(shù)對流體的黏度進行測量。與密度相比,振動傳感器測量的黏度通常顯示出更高的不確定性[32],主要是由于其非線性響應和混合規(guī)則,因此,很難用于鉆井液濾液污染的實時監(jiān)測。黏度測量受到測量條件(如固體顆粒和多相流動條件)的嚴重影響,但當工作良好時(主要是在單相烴類液體條件下),它們提供的測量對于流體性質(zhì)、儲層滲透率和產(chǎn)能評估非常有價值。

除了光學和振動傳感器技術(shù)外,井下聲速傳感器還提供了一種獨立的流體識別方法。聲速、信號衰減和聲波背散射的測量可用于固體顆粒成分、性質(zhì)、壓縮性、泡點和油水比的定性和定量分析。聲學傳感器通常垂直于流線方向安裝,能夠在不同的頻率下工作,以便優(yōu)化聲學信號的頻譜。流體混合物的聲速主要是其壓縮性的函數(shù),其與氣油比、API比重和密度有關(guān),因此,可以用于監(jiān)測取樣過程中的流體凈化過程[33]。

2.4 微型壓裂測試

測量儲層原狀應力的大小和方向非常重要。它適用于水力壓裂設計、裂縫類型識別、注水和注氣管理、斷層活動、井筒穩(wěn)定性、產(chǎn)砂、巖石力學性質(zhì)、套管柱設計等。

原狀儲層應力測試(Stress Test,也稱為微型壓裂,MiniFrac)提供了地層破裂、傳播和閉合壓力。壓力數(shù)據(jù)進一步解釋了拉伸強度和最小應力。最小應力是壓力測試中最重要的參數(shù)。壓裂壓力與最小應力密切相關(guān)。例如,了解壓裂壓力將有助于最大限度地提高注水應用中的地層掃頻效率,避免產(chǎn)生意外裂縫[34]。

原狀儲層應力測試需要向儲層注入鉆井液,以便在開始時使巖石破裂,隨后通過重復注入循環(huán)重新打開/關(guān)閉巖石[35-39]。電纜地層測試器用于原狀儲層應力測試。電纜傳輸?shù)脑瓲顑討y試可擴展到碳酸鹽巖和砂巖地層、頁巖、致密帶、高滲透和裂縫性層段?？刹捎娩摻z繩或鉆桿輸送方式進行作業(yè),在垂直井、斜井或水平井中進行多項測試。

原狀儲層應力測試的目的是在所需的區(qū)域內(nèi)形成一個受控的裂縫,并測量相關(guān)的壓力響應。創(chuàng)建的斷裂面垂直于最小原狀應力的方向。通過幾個恒定速率的注入循環(huán)重新打開和關(guān)閉裂縫,以獲得測量的重復性。重復循環(huán)也有助于裂縫擴大,從而準確地感知遠場應力。具體操作可查閱文獻[34-39]。

典型的原狀儲層應力測試壓力響應曲線如圖5所示。根據(jù)巖石類型、深度和注入流體類型,每個測點可能需要1～4 h。測試時間主要是循環(huán)的脫落持續(xù)時間。原狀儲層應力測試是無損壓裂作業(yè)。大多數(shù)情況下,在完成測試后裂縫都會閉合。由于測試在井下進行,流體壓縮性和工具管儲效應較小。

圖5 典型的原狀儲層應力測試壓力響應曲線

巖石破裂壓力與應力分布、各向異性有關(guān)。在高應力各向異性儲層中,測量的破裂壓力較低。巖石破裂壓力估算對于操作的成功非常重要[38]。這與電纜地層測試器的泵和雙封隔器選擇有關(guān)。拉伸強度可以通過實驗室分析獲得,也可以通過傳播壓力和破裂壓力之間的差異在應力測試期間進行估算。無側(cè)限抗壓強度與拉伸強度也有關(guān)[35-37]。

應力測試有2種限制:①致密地層(<1 mD)具有更高的破裂壓力,這需要泵抽模塊的壓力指標更大和雙封隔器承受的壓差更高;②高滲透地層(>50 mD)需要較大的井筒流體注入速率來產(chǎn)生裂縫,在這種情況下注入的鉆井液黏度可能不足以產(chǎn)生裂縫。注入的流體在產(chǎn)生足夠的應力以形成裂縫之前會消散到地層中。這個缺點可以用2種方法解決:要么提高注入量,要么提高注入液的黏度。

3 面臨的挑戰(zhàn)與展望

由于高溫和高壓儲層越來越多,在儀器設計和制造方面,要確保地層測試器在高溫、高壓、低孔隙度、低滲透、超低滲透、非均質(zhì)性、裂縫性、超低滲透疏松儲層等極端情況下能正常工作,不斷提高儀器的可靠性和穩(wěn)定性。目前 國外的地層測試器的高溫和高壓指標分別是205 ℃和207 MPa。超高溫和超高壓的指標分別是232 ℃和241 MPa。

在壓力測試過程中,精確控制和計算流體體積和流量至關(guān)重要。在低孔隙度低滲透率地層中,當流度小于1 mD/cP時,可能會出現(xiàn)超壓。應根據(jù)該井測井數(shù)據(jù)和鄰井相關(guān)數(shù)據(jù),優(yōu)化測前工作制度,選擇最佳工具配置和流程。地層壓力的準確性直接影響壓力梯度的準確性,從而影響流體界面的準確性。因此,在準確地確定地層壓力方面仍有大量的工作要做。

當使用地層測試器獲得高質(zhì)量的壓力瞬變數(shù)據(jù)時,實時監(jiān)測和控制是絕對必要的。只有通過實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)解釋,才能決定在何處進行試驗、是否需要額外測點或重復測試。壓力瞬變數(shù)據(jù)可以通過在取樣結(jié)束后進行幾次測試獲得。為了得到合理的解釋,各種數(shù)據(jù)源的集成至關(guān)重要。壓力瞬變數(shù)據(jù)容易使用錯誤的參數(shù)進行匹配,因此,應使每個匹配參數(shù)都具有物理意義。目前,壓力瞬變測試只限于單相流的情況。如果在測量期間觀察到多相流,在使用這些測試結(jié)果時應格外小心。另外,應僅在特殊情況下定量使用小體積試驗的滲透率估算值,并應注意相應的校正。在高度不均勻地層中,應謹慎使用壓力瞬變測試得出的滲透率估算值。

井下流體分析所面臨的最直接挑戰(zhàn)是有效地量化對油氣開采造成影響的微量物質(zhì)組成,例如二氧化碳、硫化氫和汞。這些物質(zhì)對項目(特別是對裝備設計、海底建設和油井設計)有重大影響。目前井下二氧化碳測量的方法是近紅外光譜法,這種方法有其局限性,尤其是在低濃度下和使用水基鉆井液時。在量化硫化氫方面,由于化學反應,地層測試工具和樣品筒會對測量產(chǎn)生重大影響。因此,測量的位置離流體從砂面流出的位置越近越好。汞是迄今為止儲層流體中最難量化的物質(zhì)。汞是一種污染物,可以通過多種方式進入儲層流體和巖石。目前尚無針對汞的地層測試工具。另外,在實時監(jiān)測樣品污染的能力方面,尤其是對氣體和水的污染,目前仍存在差距。井下流體分析在儲層劃分(連通性分析)方面也具有其價值。目前的井下流體分析對C6+組分還不能細分。由于新的納米技術(shù)和微流控芯片技術(shù)的發(fā)展和微型化,井下氣相色譜、液相色譜、質(zhì)譜是有可能實現(xiàn)的。

展望未來,地層測試技術(shù)面臨著若干挑戰(zhàn)。需要開發(fā)基于新材料、納米技術(shù)、微流控芯片技術(shù)、人工智能技術(shù)和光纖技術(shù)的先進井下流體分析傳感器,并優(yōu)化和小型化現(xiàn)有傳感器的設計。同時,將井下流體分析技術(shù)擴展到其他測試平臺,如隨鉆測試、柔管(Coiled Tubing)測試、生產(chǎn)測井和永久監(jiān)測平臺。地層測試技術(shù)必須與其他測試數(shù)據(jù)(常規(guī)測井、核磁共振測井、錄井、三維地震、PVT、巖心分析等)相結(jié)合,才能對儲層和流體進行充分描述,從而優(yōu)化油氣開采。

4 結(jié) 論

(1)壓力測試可獲得地層壓力和流度。地層壓力梯度分析可確定流體接觸界面和儲層連通性。區(qū)間壓力瞬變測試可提供儲層滲透率、表皮系數(shù)和各向異性,從而進行產(chǎn)能預測。井下流體分析不僅用于流體識別、流體性質(zhì)測量,而且用于流體凈化過程中鉆井液濾液污染度的定量化實時監(jiān)測,確保采集到有代表性地層流體樣品。微型壓裂測試提供了地層破裂、傳播和閉合壓力。壓力數(shù)據(jù)進一步解釋了拉伸強度和最小應力,為水力壓裂設計、裂縫類型識別、注水和注氣管理、斷層活動、井筒穩(wěn)定性、產(chǎn)砂、巖石力學性質(zhì)、套管柱設計、蓋層和基巖完整性、沉降和儲氣設計等提供關(guān)鍵參數(shù)。

(2)國外地層測試器和井下流體分析儀已經(jīng)發(fā)展到第4代,其溫度和壓力指標是205 ℃和207 MPa。超高溫和超高壓的指標分別是232 ℃和241 MPa。自主研發(fā)的地層測試技術(shù)和井下流體分析技術(shù)已經(jīng)獲得巨大進展,基本與國外同類產(chǎn)品技術(shù)水平相當。但應加強高溫高壓等惡劣井眼環(huán)境的工具研制,提高可靠性和穩(wěn)定性。

(3)為滿足在越來越具有挑戰(zhàn)性的條件下獲取越來越多的巖石和流體特性以及代表性樣品的需要,急需深化和完善地層測試技術(shù)。研究地層測試技術(shù)不能沿用常規(guī)思路,應該同時將硬件研制與解釋算法、軟件開發(fā)、數(shù)值模擬、人工智能和各種測量數(shù)據(jù)與石油公司的工作流程有機地結(jié)合,優(yōu)化理論模型、解釋算法和擴展應用。因此,大數(shù)據(jù)、機器學習、云計算和人工智能將大有用武之地。